串列海纜懸跨段的流場(chǎng)特性及防護(hù)措施研究

沈方超，宗家欣

（浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 310000）

0 引言

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)快速發(fā)展，海纜已成為海上電力輸送的主要手段。海纜服役于復(fù)雜的海洋環(huán)境，由于波流的沖刷和拋錨等人為因素，會(huì)造成海纜出現(xiàn)懸跨段。懸跨段海纜受到海底波流反復(fù)沖刷會(huì)出現(xiàn)磨損、疲勞等現(xiàn)象，導(dǎo)致海纜產(chǎn)生機(jī)械損傷［1-3］，在影響電力輸送的同時(shí)，還對(duì)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)造成危害。

李國(guó)珍等［4］對(duì)海底管道周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)在不同管道裸露階段的泥沙沖刷模式，探討管線沖刷淘空的機(jī)理。張龍珠等［5］建立適用于海底管道沖刷的數(shù)值計(jì)算模型，分析了管道底部沖刷坑初步形成及發(fā)育機(jī)理。盧志飛等［6］采用直接流固耦合的方法建立了洋流沖刷海纜的三維有限元模型，獲得了海纜各層結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)。謝英等［7］對(duì)國(guó)內(nèi)研究進(jìn)行了綜述，提出有必要系統(tǒng)地研究流場(chǎng)特性和地震動(dòng)特性對(duì)海底管線周圍流場(chǎng)和受力的影響規(guī)律。岳波等［8］利用縮尺模型開展了海底電纜在水流作用下的渦激振動(dòng)試驗(yàn)，分析得到模型的振動(dòng)頻率、響應(yīng)幅值、模態(tài)特征等數(shù)據(jù)。潘盼等［9］對(duì)某海洋石油開采項(xiàng)目采用的子母管結(jié)構(gòu)進(jìn)行渦激振動(dòng)特性研究，并與相同海纜在自由懸跨狀態(tài)下振動(dòng)特性進(jìn)行比較。數(shù)值仿真結(jié)果顯示渦激升力是導(dǎo)致垂直方向振動(dòng)的主要原因。馮雨珊等［10］提供了波浪力作用下海纜動(dòng)力學(xué)模型的建立和求解方法，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為分析海底電纜的力學(xué)特性及通過光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)提供了參考。吳榮輝等［11］采用ABQUS 數(shù)值模擬方法，建立埋設(shè)機(jī)海底電纜鋪設(shè)數(shù)值模型，開展不同挖溝深度條件下海底電纜整體受力分析研究。郭強(qiáng)等［12］基于海南聯(lián)網(wǎng)500 kV海底電纜路由埋深檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析了瓊州海峽海底電纜埋深變化特征，探討了海纜埋深變化的原因。

在沖刷防護(hù)研究方面，諶軍等［13］基于數(shù)值仿真的方法，得到海纜沖刷發(fā)展的三個(gè)階段，并針對(duì)埋深海纜沖刷的機(jī)理，研發(fā)一種新型海纜保護(hù)裝置。馬坤明［14］對(duì)海底管線沖刷防護(hù)措施中的后挖溝埋設(shè)法、結(jié)構(gòu)支撐法和拋石法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。鄭炳文等［15］針對(duì)勝利海上油田海底電纜懸空損傷進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)新型海底電纜保護(hù)裝置，并提出新型海底電纜保護(hù)裝置的規(guī)范要求。

目前，在海底管道、海纜懸跨段渦激振動(dòng)，流場(chǎng)特性方面研究較多，多集中于單條海纜管線，在串列海纜懸跨段流場(chǎng)特性方面的研究仍然較少。

本文基于不可壓縮的N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型分析海流作用下串列海纜懸跨段的流場(chǎng)特性，并結(jié)合如東H15＃海上風(fēng)電場(chǎng)工程項(xiàng)目提出對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施，以期為類似工程建設(shè)提供一定的參考。

1 工程概況

如東H15＃海上風(fēng)電項(xiàng)目，位于江蘇如東近海海域，竹根沙東側(cè)。場(chǎng)區(qū)中心點(diǎn)離岸約47 km，海底高程0～-10 m。風(fēng)電場(chǎng)近似呈梯形，東西方向平均長(zhǎng)約為5.6 km，南北寬約為5.7 km，規(guī)劃海域面積約32 km2。風(fēng)電場(chǎng)配套設(shè)置一座220 kV 海上升壓站及一座陸上集控中心，海上升壓站位于風(fēng)電場(chǎng)中部偏西海域。本工程共有8 個(gè)聯(lián)合單元匯總到海上升壓站。每8～9臺(tái)風(fēng)力機(jī)組成1 個(gè)聯(lián)合單元，由35 kV 集電線路海纜以鏈形連接起來匯集電能。8 個(gè)聯(lián)合單元的電能在升壓站匯集、升壓至220 kV，再通過220 kV 輸電線路海纜傳輸至陸上集控中，進(jìn)而輸送至電網(wǎng)。隨著海流長(zhǎng)期往返運(yùn)動(dòng)，海上升壓站附近易產(chǎn)生沖刷，造成海纜懸跨，并進(jìn)一步向周圍擴(kuò)展。隨著懸跨段的不斷增加，造成海纜張力加大，導(dǎo)致海纜損壞，因此有必要對(duì)串列海纜懸跨段流場(chǎng)特性進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

2 流場(chǎng)特性研究

2.1 控制方程

采用不可壓縮的N-S 方程描述海流運(yùn)動(dòng)，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：

式中：u為來流速度；ρ為流體密度；p為壓力；υ為流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程為：

式中：k為湍流動(dòng)能；ε為湍能耗散率；μ為湍流黏性系數(shù)；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；C1ε和C2ε為湍流系數(shù)，分別取1.44 和1.92。

2.2 數(shù)值模型

數(shù)值模型如圖1 所示，簡(jiǎn)化為串列圓柱繞流問題。計(jì)算域高度H為1 m，寬度W為3.2 m，海纜直徑D為0.16 m，L／D為2，G／D為1，前柱中心距左側(cè)邊界0.8 m。左側(cè)邊界為速度入口邊界，速度為1.875 m／s，右側(cè)邊界為壓力邊界，其余邊界設(shè)置為無滑移壁面邊界，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖1 數(shù)值模型圖

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.3 結(jié)果分析

圖3 所示為串列圓柱附近流線圖。由圖可見，在繞流初期，前柱上游沒有漩渦出現(xiàn)，在前后柱的下游均形成兩個(gè)近似對(duì)稱漩渦并逐漸擴(kuò)展。經(jīng)過一定時(shí)間的發(fā)展，前后柱上方漩渦被流體的粘性耗散掉，逐漸向下方移動(dòng)，而后下方的漩渦脫落向上方發(fā)展，之后漩渦脫落交替反復(fù)進(jìn)行。

圖3 串列海纜附近流線圖

圖4 示出串列圓柱周圍壓力分布，串列圓柱之間存在負(fù)壓區(qū)，使得該處流體速度增大，壓力減小，從而產(chǎn)生上述的漩渦脫落。在串列圓柱繞流中后柱所受到的力與前柱有關(guān)，前柱先產(chǎn)生卡門渦街，使流場(chǎng)發(fā)生變化，在后柱的兩側(cè)形成明顯壓力差，導(dǎo)致后柱受到流體的不均勻作用力，使得后柱受前柱的力隨著時(shí)間呈周期性變化。為避免海纜在周期性力作用下的疲勞破壞，需采取一定的防護(hù)措施。

圖4 串列海纜周圍壓力分布圖

3 防護(hù)措施研究

借鑒橋梁樁基防護(hù)方法，工程中常用砂袋結(jié)合土工布方式進(jìn)行防護(hù)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，不影響正常生產(chǎn)，防護(hù)的范圍比較廣，但由于如東H15＃風(fēng)電場(chǎng)海區(qū)潮流大、流速大，且土工布不具備促淤作用，在海流長(zhǎng)期作用下，土工布易被破壞，進(jìn)一步造成二次沖刷，因此并不是最適宜的方法。同樣施工簡(jiǎn)便的短樁支撐法可以有效地固定海纜，減小渦激振動(dòng)的危害，但其保護(hù)范圍小，且無法消除懸空，因此也不適用。在綜合考慮各類環(huán)境因素的條件下，建議采用如下兩類防護(hù)方案：

（1）柔性材料防護(hù)。①在海纜上方覆蓋“仿生草”，仿生水草可有效減緩來流速度，減小床面沖刷，同時(shí)將海流中的泥沙沉積到海纜周圍。②在海纜上方安裝懸浮簾，使其在水中懸浮并來回?cái)[動(dòng)，進(jìn)而減緩水流流速，實(shí)現(xiàn)泥沙淤積。③在海纜下方安裝柔性導(dǎo)流板，減小海纜上下游的壓力差，促使纜線自埋。該方法防護(hù)效果較好，不影響海纜正常工作。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合不同懸跨區(qū)段特點(diǎn)采用不同措施。

（2）壓載管道法。利用土工布結(jié)合混凝土連鎖排進(jìn)行沖刷防護(hù)，可提高覆蓋層抗沖刷能力，且具有一定的促淤作用，整體性好，能較好適應(yīng)床面變形，施工簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量易控制，對(duì)于懸跨段較長(zhǎng)的纜線防護(hù)具有很好的適應(yīng)性，施工中要注意墊層的剛性邊緣引起的海床沖刷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立數(shù)值計(jì)算模型分析海流作用下串列海纜懸跨段的流場(chǎng)特性，并結(jié)合如東H15＃海上風(fēng)電場(chǎng)工程項(xiàng)目對(duì)海纜懸空段防護(hù)措施進(jìn)行探討，得出主要結(jié)論如下：

（1）串列懸跨海纜之間存在負(fù)壓區(qū)，使得該處流體速度增大，產(chǎn)生周期性的漩渦脫落現(xiàn)象。海纜后柱受到周期性的作用力，對(duì)海纜的安全運(yùn)營(yíng)造成影響。

（2）根據(jù)該工程海區(qū)特點(diǎn)，建議采用柔性防護(hù)法和壓載管道法對(duì)懸跨段海纜進(jìn)行防護(hù)。在具體施工中，可根據(jù)懸跨區(qū)段的地質(zhì)洋流條件，將兩種方法結(jié)合運(yùn)用。